压缩载荷下纳米尺度薄膜材料破坏机理的实验研究

论文摘要

微尺度力学和MEMS系统中的低维材料性能研究是当今国际多学科交叉研究的热门课题。涉及力学问题有薄膜材料在残余应力和外载荷作用下的变形、应力、断裂和屈曲等。薄膜材料的力学性能,尤其在纳米尺度上的力学性能的研究具有重大的学术价值和广阔的应用前景。在本文中,我们选择信息工程中使用的具有代表性的薄膜/基底组合形式:一类是钛/聚碳酸脂,另一类是钛/有机玻璃; 利用真空对靶磁控溅射镀膜技术制作了50-150纳米间不同厚度的薄膜。需精确设置仪器参数,如:初始压力（真空度）、工作压力和沉积速度等,这样才能精确控制薄膜的沉积厚度。本文定性分析了皱折屈曲传播的机理,进行了屈曲分层的数学分析:薄膜中屈曲分层的稳定增长条件,可以用一个简单的方法计算得来,前提条件是增长的前端部分不做要求。这种方法的准确程度,依赖于对沿着屈曲传播前端分布的载荷相角的估计精度设计了新的差动式机械---对中受压加力装置,对薄膜施加均匀的轴向载荷。基底的加工精度、薄膜的镀膜技术、加力装置的加工精度等都会影响实验的结果。在外加单向压缩应力和残余应力的联合作用下,研究了薄膜和基底之间由脱粘到屈曲,屈曲又驱动脱粘,进而散裂的全过程。用OLYMPUS显微镜对屈曲形成的过程进行了详细的观察,观察了皱折屈曲成长、传播的全过程,并且对不同应力下的屈曲尺寸作了标定。利用有限元软件Ansys模拟屈曲的形成过程; 特别是讨论不同屈曲结构共存的状态。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 屈曲问题的研究意义和研究概况
• 1.2 用实验的方法确定缺陷对于薄膜屈曲的影响
• 1.2.1 简介
• 1.2.2 标定屈曲的高度
• 1.2.3 缺陷的测量
• 1.2.4 数学分析
• 1.3 本文的工作
• 1.3.1 用实验的方法确定缺陷对于薄膜屈曲的影响
• 1.3.2 屈曲分层的数学分析
• 1.3.3 用有限元的方法模拟薄膜的翘曲
• 1.3.4 实验仪器及设备
• 1.3.5 实验的部分图像
• 第二章 屈曲能量释放的数学分析
• 2.1 引言
• 2.2 简介
• 2.3 分层的断裂力学性质
• 2.4 直边分层的稳定成长
• 2.5 有限元计算
• 第三章 用有限元的方法模拟薄膜的屈曲
• 3.1 矩形薄板稳定问题的基本方程
• 3.1.1 弹性系统平衡稳定性的基本概念
• 3.1.2 矩形薄板稳定问题的基本方程
• 3.1.3 矩形板受面内力作用时的线性稳定理论的基本方程
• 3.1.4 单向轴压简支矩形板
• 3.2 钛薄膜屈曲有限元分析结果
• 3.2.1 钛薄膜屈曲有限元模型
• 3.2.2 有限元运算结果
• 第四章 实验设备与仪器
• 4.1 实验仪器
• 4.1.1 实验总体示意图
• 4.1.2 对中加载装置示意图
• 4.1.3 夹具的详细图纸
• 4.1.4 传感器
• 4.1.5 实验试件
• 4.1.6 镀膜
• 4.1.7 显微镜观察区域范围的标定
• 4.1.8 电测法原理和实验中电测原理图
• 第五章 实验中所观察的部份图像
• 5.1.1 典型屈曲现象---皱折的出现、成长
• 5.1.2 皱折的对接、成长
• 5.1.3 实验中观察的另类屈曲现象----泡
• 5.1.4 皱折特殊变化
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢